基于FPGA的手持式標校終端設計

祝本明，袁 強，周玉昆

（中國兵器工業第58研究所 四川 綿陽621000）

基于FPGA的手持式標校終端設計

祝本明，袁 強，周玉昆

（中國兵器工業第58研究所 四川 綿陽621000）

針對武器系統精度隨使用時間而產生漂移，設計了一種基于FPGA的手持式標校終端。手持式標校終端由手持式機箱、電源模塊、電池模塊、信號產生模塊等部分組成，是為某系統提供檢驗所需的射頻信號，主要對系統射頻信號進行校正和測試，防止信號漂移，實現及時校對。現場應用結果表明，本設計校驗精度提高了20%，實現了高精度檢測。

FPGA；手持式；標校終端；信號采集

測量精度是現代武器系統的重要指標。隨著使用次數的增加，武器系統的精度會隨之漂移。為了提高武器系統的測量精度，必須進行標校和參數修調。手持式標校終端是為某系統提供檢驗所需的射頻信號，主要對系統射頻信號進行校正和測試，防止信號漂移，實現及時校對[1-2]。

1 總體設計

標校終端系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

手持式標校終端由手持式機箱、電源模塊、電池模塊、信號產生模塊等部分組成。信號發送模塊是整個標校終端的控制中樞，它通過DDS芯片和DA芯片產生中頻信號，然后通過上變頻器單元產生所需射頻信號；電源模塊給整個系統供電，既可以給信號發送模塊供電，又可以給充電電池充電；電池模塊在無外接電源時，給系統供電[3-4]。

2 手持式機箱

標校終端采用全密閉機箱結構，內部各功能板卡上的熱量通過導熱板傳至手持式機箱腔體，再通過機箱表面的散熱槽散出。該腔體的外形尺寸為180 mm×120 mm×50 mm，腔體整體采用2A12鋁合金材料，腔體重量為1 kg，腔體內部采用兩層結構，在機箱正面面板上，設計有運行及電量不足指示燈；在機箱頂面面板上，設計了電源接口、串口、RFout、IFin、IFou和測試口。腔體外形示意圖如圖2所示。

圖2 外形示意圖

3 信號產生模塊

信號產生模塊為整個標校終端的核心，它完成中頻信號、射頻信號的產生及控制。其框圖如圖3所示。

圖3 信號產生模塊

FPGA通過串口收發器MAX3221接收上位機參數，完成相應控制命令與控制參數的接收，該上位機參數對DDS、DA及上變頻器進行配置。其中DDS芯片AD9954的參考時鐘由溫補晶振提供。該DDS芯片的輸出通過放大器AD8370進行功率控制后送入到AD9957，信號通過AD9957后再經過聲表濾波器854680進行濾波，最后通過兩級AD8370進行信號放大，最終產生一個0 dbm，70 MHz的中頻信號。該中頻信號送入到上變頻器電源，經過FPGA控制最終產生0 dbm，2 300 MHz的射頻信號[5-6]。

3.1 數據采集

XC7K160T通過BPI的方式進行配置。將控制命令與控制參數存儲在16 MB的SPI FLASH中，整個信號處理卡的對外接口包括了：串口、上變頻器控制口、15路測試信號接口、1路中頻信號輸出接口等[7-8]。

數據采集部分主要功能是進行70 M中頻信號的模數轉換，并將轉換后的數字信號通過12位并行數據接口傳送給FPGA。數據采集部分主要由時鐘電路、前端調理電路及ADC芯片AD9626組成。ADC芯片AD9626是ADI公司的12位ADC，采用1.8 V電源供電，最高轉換速率為250 MSPS，原理框圖如圖4所示。

圖4 數據采集原理框圖

3.2 模擬數據產生部分

DA部分主要由時鐘電路、輸出信號調理電路和DDS芯片AD9954、AD9957組成。DA時鐘部分采用了DDS芯片AD9954產生，其具有400 MSPS的內部時鐘速度，32位頻率調諧精度，14位相位調諧精度，可用數字編程控制，相位噪聲優于120 dBc/Hz，模擬正弦波輸出可達160 MHz；所選用的溫補晶振主要AD部分電路中溫補晶振相同。AD9957內置一個高速DDS及一個高速14位數模轉換器，具有一路250 MHz速率的18位并行接口，1 GSPS的內部時鐘速度，可輸出的模擬信號頻率最大可達400 MHz，最大功耗1.4 W，具有低功耗，體積小等特點[9-10]。模擬數據產生部分原理框圖如圖5所示。

圖5 模擬數據產生部分原理框圖

3.3 外部通訊接口模塊

外部通訊接口模塊主要功能是完成數字信號處理卡與視頻編碼卡及外部設備之間的數據通訊，并向視頻編碼卡及外部設備提供12 V電源。外部通訊接口模塊提供一路網口、一路串口、2路IO接口、接收一路時統信號，使用了MAX3221、MAX3079E、IP101GRI等芯片。IP101GRI是一款基于 DSP的PHY收發器技術的10/100 Mbps的單端口快速以太網收發器，內部FIFO支持幀大小為12 KB，其提供的MII或RMII可與不同類型的MAC連接，最大功耗為0.15 W；MAX3221是用于RS-232通訊的低功耗收發器；MAX3079E是用于RS-485/RS-422通訊的低功耗收發器[11-12]。外部通訊接口模塊原理框圖如圖6所示。

圖6 外部通訊接口模塊原理框圖

4 電源模塊

電源模塊主要由變壓器、整流濾波模塊、充電模塊、備用電池組、電池管理模塊、切換模塊、DC/DC模塊和保護模塊組成[13-15]。如圖7所示。

圖7 系統總體結構

備用電池組切換模塊負責在交流供電系統斷電時將電源切換到由備用電池組供電狀態。電源經兩路DC/DC模塊的穩壓和保護模塊的過壓、過流保護后輸出直流18 V向負載供電。

備用電池組由-40～60℃工作寬溫電芯10～16.8 V電池組組成，每節鋰電池最高輸出4.2 V，最低截止輸出電壓2.5 V，鋰電池組最高輸出電壓16.8 V，最低截止輸出電壓10 V；每節鋰電池輸出功率7.5 W，鋰電池組輸出功率30 W。

電池管理模塊實時檢測備用電池組的工作狀態，包括單體電壓、溫度和工作電流，并對備用電池組進行電壓均衡控制，避免備用電池組單體過壓、過充電、過放電和溫度過高，提高電池組的有效儲能容量。

圖8 電源管理電路圖

MAX8724是一款美信公司生產的電池充電管理芯片，是精確、高效的多種化學類型電池充電器，使用模擬輸入來控制充電電壓和電流，具有輸入電流限制，在同時提供負載供電和電池充電時，一旦電流達到設定的門限，可自動降低電池的充電電流。如圖8所示。

5 結 論

手持式標校終端是某系統的核心系統之一，用于整個系統的信號矯正及測試，校驗的穩定性關乎到整個系統的可靠運行。本設計在充分考慮用戶需求的基礎上，對各模塊功能進行簡化設計，在保證滿足用戶需求的前提下減少不必要的元件、電流等，降低設計的復雜度，提高產品可靠性。現場應用結果表明，本設計校驗精度提高了20%，實現了高精度檢測。

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The design of heandheld calibration terminal based on FPGA

ZHU Ben-ming，YUAN Qiang，ZHOU Yu-kun
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the drift of weapon system accuracy with the use of time，a heandheld calibration terminal based on FPGA is designed.The heandheld calibration terminal which are consist of handheld box，power unit，battery unit，signal unit，etc，provide the inspection RF signal for system，mainly to calibration and testing of RF signal system，to prevent signal drift，realize the check in time.Field application results show that the design precision is improved by 20%，realized the high precision detection.

FPGA；handheld；calibration terminal；signal acquisition

TN06

：A

：1674－6236（2017）05-0009-04

2016-05-12稿件編號：201605108

國家自然科學基金項目（61162003）

祝本明（1981—），男，安徽阜陽人，碩士。研究方向：計算機應用研究等。